基于三維激光掃描技術的城市地下空間三維建模

張照杰，張宏波，李 娜

（1.正元地理信息集團股份有限公司，浙江 德清 313200）

城市地下空間是數字孿生城市的重要組成部分，其空間位置和內部建筑設施布置等站點信息已成為城市管理部門建立地下空間地理信息系統必須要掌握的重要內容之一，典型的地下空間包括地下商業街、地下停車場、人防工程、地鐵站等。在對地下空間的建筑物三維建模過程中，由于缺少現勢性強的二維竣工圖作為參考，且地下空間要素眾多，地下空間三維建模將比地上更加難以開展。

隨著現代高精度測量技術的發展，三維激光掃描技術逐步應用于地下空間測繪領域，三維激光掃描儀[1-4]可以在復雜的地下空間環境中進行掃描作業，采用非接觸測量精確地獲取被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據，該技術應用于城市地下空間的三維建模中具有無可比擬的優勢。

1 三維激光掃描技術優勢分析

1.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術原理和全站儀測距測角的原理類似，主要不同點在于三維激光掃描采用非接觸方式，通過發射高速激光束高精度掃描測量物體表面，同時記錄大量的密集點云數據，快速獲得空間點位三維信息，具有采集高精度、高分辨率、速度快、非接觸式測量等優勢。三維激光掃描儀采集到的點云數據是以特定坐標系統為基準的，通常稱為掃描坐標系，定義為坐標原點位于激光束發射處，X軸為儀器的橫向掃描面水平轉動軸的零方向，Z軸位于儀器的豎向掃描面內天頂方向，Y軸位于儀器的橫向掃描面內，與X軸、Z軸構成右手坐標系，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術原理

圖1中α為三維激光掃描儀測量到的水平角；θ為掃描儀測量到的豎直角；S為坐標原點到掃描點的距離，那么掃描點的坐標（X,Y,Z）為：

1.2 利用三維激光掃描技術開展城市地下空間三維建模的優勢

城市地下空間一般是由獨立的單體建筑構成，存在結構復雜、通視條件差、光照不足等特點。雖然傳統的全站儀測量方式可以完成城市地下空間的測量，但存在很多難以解決的實際問題，如控制網布設相對困難、工作效率低、易發生漏測、測錯的情況、工作流程復雜等。

三維激光掃描技術是新型高精尖測繪技術，采用主動發射激光測量的方式，通過無接觸式激光掃描可快速、高分辨率地獲取地下空間場景中有效范圍內建筑物表面的高精度點云數據，不僅能探測到地下空間的每個角落，而且能對地下空間內部復雜結構表達詳盡，有效避免了漏測、測錯現象。另外，現場作業時，不受光照條件的影響，克服了地下空間光照不足的困難，因此，三維激光掃描技術在地下空間測繪中相較于傳統測量方法，有無法比擬的優勢。

2 工程實例

2.1 工程概況

本工程位于浙江省杭州市解放東路2號杭州洲際酒店，工作范圍包括該酒店負二層地下停車場A、B、C、D區。地下空間總面積約為45 167 m2，共有2個出入口。

本文利用三維激光掃描儀Faro FOCUS 3D 120對杭州洲際酒店負二層地下停車場進行掃描作業，獲取目標對象的點云數據，使用法如激光掃描儀自帶軟件Faro Scene來實現多站點云的拼接，點云除噪，坐標系統的轉換等工作，然后再基于點云數據和現場拍攝照片，利用Geomagic Studio專業編輯軟件進行三維網格模型的構建，并在Faro scene軟件中，應用配準功能，通過不少于5對的網格模型和照片相應的配準點，將照片映射到模型上去，生成彩色的三維模型。最后利用3ds Max2017軟件將真彩色的三維模型轉換成GIS平臺需要的格式。三維激光掃描儀工作流程如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀工作流程

2.2 實施過程

2.2.1 數據采集

本次數據采集使用的三維激光掃描儀為Faro FOCUS 3D 120，該儀器的激光模式是相位式，可掃描最大距離約為153m，掃描精度為±2m，具有垂直305°、水平360°的視野范圍。該儀器具有極高的掃描速率，最大掃描速度為976 000點/S，每站的掃描測量時間約2～5min。通過實地踏勘和對已有資料的分析確定掃描方案，在保證數據采集完整的前提下，優化設站路徑規劃，盡量用最少的設站數量，減少拼接次數，相鄰兩站之間有不少于3個可清晰識別標靶球，在每站可視范圍內，保證90%以上的數據完整性，站與站之間重復率在30%以上。針對地下空間的特殊部位，進行數據補充，保證完整性。本次工程共布設45站，現場設站掃描作業情況如圖3所示。為了將點云數據坐標轉換至2000國家大地坐標系下，在兩個出入口附件各布設3個控制點，使用ZJCORS系統測得6個控制點的平面坐標和高程。

圖3 現場設站掃描作業圖

2.2.2 點云數據處理

點云的數據處理[5-8]主要包括點云拼接、點云著色、濾波去噪等。使用的軟件為：Faro scene。

1）點云拼接，也稱為點云配準，包括局部拼接和整體配準。局部拼接是針對同一物體不同角度或距離的掃描進行拼接，是以掃描儀參考站為零點進行的站點與站點間的拼接，局部拼接需要有參考物作為基準。本工程中參考物采用直徑14.5 cm的標靶球，兩站點之間至少設置3個公共參考物，每一個參考物都賦予易識別且容易記憶的名稱。當參考物設置完成后，局部拼接采用Faro scene軟件自動完成，拼接完成后應及時切換三維視圖或對應視圖查看局部拼接效果以及時修正。局部拼接精度要小于2 mm。點云整體配準是對項目中不同區域的掃描點整體整合并將其坐標轉換為絕對坐標的配準。本工程通過ZJCORS系統獲得控制點的平面坐標和高程，導入掃描集群進行外部參考控制，即可將坐標轉換為2000國家大地坐標。

2）點云著色，Faro FOCUS 3D 120內置色彩選項，設站掃描時開啟，儀器在掃描之后會拍攝照片作為原始色彩數據，通過Faro scene軟件可以將照片拼接成一幅彩色全景圖并且彩色數據會賦予點云，每個點云的參數會增加對應的RGB色彩信息，形成彩色的三維點云。

3）點云除噪，這個工作主要目的是將點云中無用的數據刪除，主要用到Faro scene軟件中的多種選擇工具。

2.2.3 三維模型構建

本工程采用官方合作軟件GeomaGIS Studio進行三維模型的構建。此軟件的建模流程比較成熟，首先將點云導入到Geomagic Studio中去，用統一命令對點云進行抽稀，控制點云數量，對墻體、管線和鋼結構等規則物體進行自動化、半自動化建模，其他物體進行人工建模。再利用封裝命令將點云封裝成適用主體建模表現方式的三維模型。

2.3 成果分析

2.3.1 平面精度檢驗

在酒店負二層地下停車場選取了15個明顯特征點，主要分布在停車場四周墻面上、支撐立柱的棱角處、墻的轉角處等特征點處。利用全站儀測出15個明顯特征點的平面坐標，作為真值，在三維模型中量取相應點的坐標值作為檢測值，計算統計真值和檢測值之間的較差，分析得出該地下停車場三維模型的平面精度。

從表1的統計數據可以得到，15個檢查點中平面點位誤差ΔS最大值為7.5 cm，采用平面點位誤差ΔS經計算的平面中誤差為1.6 cm，滿足地下空間建筑物測繪精度[9]的要求。

表1 三維模型平面精度統計表

2.3.2 三維模型成果展示

利用三維激光掃描儀Faro FOCUS 3D 120對杭州洲際酒店負二層地下停車場進行掃描作業，獲取了該停車場的點云數據，經內業數據處理后，得到該地下停車場的點云模型，基于點云數據最終生成該地下停車場的三維模型，如圖4所示。

圖4 地下停車場三維模型

3 結 語

本文以地下停車場為例，對三維激光掃描技術在城市地下空間三維建模中的應用進行了分析和探討，并通過具體的工程實例，詳細闡述了數據采集、點云數據處理、三維模型構建的方法和流程。實踐表明三維激光掃描技術可快速、高精度、細節直觀的構建出地下空間的三維模型，特別是在通視條件差、不規則的地下空間更具有優勢；通過與全站儀測量數據的比較，構建的地下空間三維模型的精度能夠滿足地下空間建筑物測繪精度要求；相較于傳統的建模方法，使用三維激光掃描技術大大縮短了數據采集的時間，降低了技術人員的勞動強度，提高了建模工作效率。